第 306 期

會議報導
生物資訊專題演講：以系統觀解析遺傳及演化
Bioinformatics Seminar: Systems approaches to genetics and evolution

本院與基因體醫學國家型科技計畫於3月17日共同主辦「生物資訊專題演講-以系統觀解析遺傳及演化」，邀請美國密西根大學安娜堡分校（University of Michigan, Ann Arbor）生態與演化生物學系張建之教授進行演講。 張建之教授專長於遺傳及演化學方面的研究，他的主要研究包括四項主題：（一）人類起源與靈長類多樣性之分子基礎；（二）哺乳動物感官（嗅覺與味覺等）基因的分子演化；（三）酵母菌（Saccharomyces cerevisiae）基因體演化（四）演化系統生物學。

張教授演講內容主要以代謝網路的通量平衡分析（flux balance analysis）來說明演化於代謝系統中冗餘性（Redundancy）、異位顯性（Epistasis）、及基因重要性（gene essentiality）和基因演化速率（gene evolutionary rate）的相關性。

﹝一﹞冗餘性
細胞生命是具有高度冗餘性的複雜系統，舉例來說，許多存在在基因體中的基因如果被移除，對生物體並沒有影響。既然如此，在演化的過程中，為何冗餘性能持續被保留在基因體中呢？利用系統生物學的方法，張教授推斷大腸桿菌（E. coli）及酵母菌（yeast）裡有37-43%的代謝反應如果被移除，仍然能夠產生組成生物量（biomass）的基本物質。進一步的分析顯示，大部分的冗餘性反應之所以能被保留下來的原因有三：（1）不同反應對不同環境有不同的最佳效率（2）基因多效性的影響（pleiotropic effects）以及（3）水平基因轉移（horizontal gene transfer）。張教授也發現，對大腸桿菌及酵母菌而言，冗餘性較高的代謝反應功能上較不重要，這和過去將代謝系統中冗餘性視為面對環境發生改變時所需的備份機制的說法並不一致。最後張教授總結代謝網路中的遺傳穩健性（genetic robustness）僅是演化過程的附屬產物。

﹝二﹞異位顯性
異位顯性指的是基因所影響的表現型受其他基因影響的現象。目前，功能上極為近似的基因應反映出何種程度的異位顯性仍是個未知數。針對這個問題，張教授團隊利用代謝網路，發現負異位顯性（negative epistasis）主要發生於不重要的代謝反應間，並伴隨著重疊功能而產生；正異位顯性（positive epistasis）則涉及重要代謝反應、高重複性和發生於不具有重疊功能的代謝反應之間。此結論已透過分子實驗證實。

﹝三﹞基因重要性和基因演化速率的相關性
功能上較重要的基因（或DNA序列）比起較不重要基因而言，演化速率較為緩慢，這是在分子演化領域中少數被視為定律的說法，同時也被生物學家廣泛地用於研究上。然而近來透過基因體學分析一系列生物體，卻發現基因的演化速率與基因的功能重要性之間的負相關相當薄弱此發現，常解釋成實驗室的條件下，個別基因對生物體對基因的重要性有別於與自然環境下所致。張教授利用酵母菌並經由418種實驗室條件，輔以10000種電腦模擬的自然環境條件，來測試上述的假說。在多重條件下的比較，張教授發現除了族群遺傳因素外，尚存在多種因子會決定基因演化速率，減弱基因的演化速率與基因的功能重要性間的相關性。雖然如此，當演化速率有巨大差異的基因相互比較時，重要基因演化較緩慢的這項定律，依然是有效的。

本次生物資訊專題演講，吸引了包括來自本院及其他機構的研究人員、助理及學生近80人的參與。演講過程中，與會人員與張教授進行熱烈討論與交流。本單位同時透過錄影的方式，將張教授的演講過程記錄下來，並放置在會議活動網站中 http://www.tbi.org.tw/seminar0317/，讀者可以透過網路瀏覽的方式觀賞會議內容。
《文/圖：生醫資訊服務組汪詩海；審校：群體健康科學研究所生物統計與生物資訊研究組廖本揚助研究員》